Abstract：
Although many of the nutrient elements needed by humans, animals and plants are the same, humans need more kinds of nutrient elements. The concept of medium and trace elements with human as the core is put forward, and the effects of calcium, magnesium and other elements on human body and plants are emphatically analyzed. The lack of medium and trace elements not only reduces the nutritional value of crops, but also causes human diseases. According to the law of crop nutrient demand, balancing the supply of large, medium and trace elements required by crops is of great significance to plant, animal and human health.
我国耕地基础地力偏低，化肥施用对粮食增产的贡献约在40%以上。化肥在促进我国粮食和农业生产发展中起了不可替代的作用，但过量施肥、盲目施肥不仅增加农业生产成本、浪费资源，而且会造成耕地板结、土壤酸化、中微量元素缺乏等问题，导致作物营养品质不断降低，进而影响人类的健康。因此，关注植物营养与人类健康尤为重要。
1
人类及动植物所需的营养元素
1.1
人类
组成人体的几十种元素中，除碳、氢、氧、氮构成机体有机物和水外(约占人体质量的95%)，其他元素统称为矿物质，其中20余种矿物质是构成人体组织、保持正常生理功能所必需的。钙、磷、镁、钾、钠、氯、硫等7种元素统称为常量元素或宏量元素，它们在人体中的含量约为人体质量的0.01%，每人每日膳食需要量在100 mg以上；人体中质量分数低于0.01%的元素为微量元素。联合国粮食及农业组织/世界卫生组织(FAO/WHO)专家委员会认为人体微量元素分为三类[1]：①铁、锌、碘、硒、铜、钼、铬、钴等8种必需微量元素；②锰、硅、硼、钒、镍等5种可能必需的微量元素；③氟、铅、镉、汞、砷、铝、锡等7种具有潜在的毒性，但在低剂量时可能是实现人体必需功能的微量元素。
需注意的是：毒物低剂量可引起人体的毒物兴奋效应，它是一种适应性应激反应，该应激反应激活了人体内细胞的修复和维护系统，对人体是有益的，而剂量提高则毒性急速增加，如砒霜、二英等。毒物学研究还表明，水果、蔬菜也不宜过量食用，均需遵循“少好多坏”的原则[2]。即任何对健康有利的“好食品”无需每天都吃，对健康有害的“坏食品”也不要一点都不吃。1988年，香港徐氏基金会出版的《科学图书大库医学顾问大全》一书中介绍[3]，每个人对不同的食品有不同的适应性，当不知道哪种食品对身体有害时，最好的办法是4 d之内不吃同样的食物；即使是有害的食品，只要隔4 d以上再吃都无害。此观点供参考。
日本学者中嶋长允曾系统研究了土壤中微量矿物质与人类健康的关系，出版了专著《土与生命——微量矿物质与人类健康》，从人的生命、作物的生命、土壤的生命，论述了支撑生命的微量矿物质与酶；微量矿物质不足与作物、人类疾病的关系[4]。书中指出，在经济效益优先的现代农业中，只重视增加产量而忽视提高作物品质所引起的土壤中微量矿物质缺乏，将给植物和人类健康带来危害。
1.2
动物
人是高等动物，饲料学中的动物是指供人类食用的禽、畜。根据《饲料学》对矿物质的分类，常量元素是指动物体内质量分数大于0.01%的元素，包括钙、磷、硫、氯、钾、钠、镁等；微量元素是指质量分数小于0.01%的元素，动物体内必需的微量元素有铁、铜、碘、锌、锰、钴、硒、铬等[5]。
1.3
植物
通常认为高等植物生长需要碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、锌、铜、硼、钼、氯、镍等17种必不可少的营养元素。根据《高等植物的矿质营养》，植物必需的矿质元素可分为[6]：氮、磷、硫、钾、镁、钙等6种大量养分；铁、锰、锌、铜、硼、钼、氯、镍等8种微量养分；钠、硅、钴、碘、钒等5种“有益”元素。已确定前两类14种矿质元素是高等植物必需的。
综上所述，人类、动物、植物所需元素大部分相同，其中碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锌、铜、锰、氯、钠、硅等为必需元素。但人类还需要更多的养分，植物是供人类、动物消费的，在选择补充植物中微量元素时，应考虑人类的需求。
2
以人类为核心的中微量元素观
在地球生态系统中，植物是生产者，动物是消费者，微生物是分解者。在人类为主导的生物链中，人是消费者。人类不仅消费植物，也消费大量禽畜制品。有趋势表明，人类对粮食的消费将逐渐退居次要地位，而以消费蔬菜、水果、坚果及动物质食品(肉、禽、蛋、奶、鱼类)为主。2020年我国人均消费支出中，用于购买粮食的费用仅占5.7%，用于购买动物性食品和蔬菜的费用占25.2%。
日本蔬菜中的养分含量50年来大幅下降，以菠菜、胡萝卜为例，1950年100 g菠菜、胡萝卜中铁的质量分别为13、2 mg，2000年已分别下降至2、0.2 mg。我国100 g菠菜可食用部分也仅含铁2.5 mg。假如说菠菜是补铁食品，补充相同数量的铁，现在与50年前相比就要多吃6倍量的菠菜。
文献[7]中报道了美国农业部1950—1999年记录的43种园艺作物的13种营养成分及产量的变化，其中果蔬中的蛋白质、钙、磷、铁、核黄素(维生素B2)和维生素C的含量，在过去的半个世纪“的确下滑”了；1950年以来，红萝卜中铁的含量下降了24%，茄子中维生素C的含量下降了44%，西兰花中钙的含量减少了37%，冬瓜中核黄素的含量下降了52%。
2014年10月发布的《中国居民营养与健康状况》调查报告表明：中国人吃得越来越好，但维生素、矿物质等微量营养元素的缺乏普遍存在，营养失衡已成社会负担；全国人均每天钙摄入量为400 mg(推荐量为800 mg)，维生素A摄入量为476 μg(推荐量为800 μg)，维生素B2摄入量为0.8 mg(推荐量为1.3 mg)。
中微量元素缺乏，造成食品营养价值下降。施入过量的氮肥，虽能结出硕大的果实，但营养成分不高的作物只能满足农业生产者的需求，忽视了消费者的需求。只有施入营养全面、营养平衡的肥料，才能生产出高品质的农产品。英国诺丁汉大学通过施入能优化蔬菜中钙、镁含量的化学肥料，生产出了含矿物质丰富的“超级蔬菜”。与普通蔬菜相比，“超级蔬菜”中钙、镁的含量高，其采用的不是基因工程手段，而是通过提供全面营养来提高蔬菜的营养价值。日本的研究表明，控制糙米中氮的质量分数＜1.4%，并补足磷、镁、钾等元素，就能改善大米品质，获得较好的口感。
2013年国际肥料工业协会(IFA)发起了“Fertilizer Crop to Improve Human Health(施肥于作物，改善人类健康)”的活动，通过提高肥料中关键营养元素锌、硫、碘、硒来克服土壤、动物、人类对这些元素的缺乏。IFA官员埃辛(Esin Mete)女士认为，应重视中、微量元素的重要性及缺乏它们对作物产量与质量的影响[8]。IFA官员夏洛特(Charlotte Hebebrand)女士在“2013年IFA(中国)化肥可持续发展国际论坛”上所作的《全球肥料生产和使用：问题和挑战》报告中提及，合理施肥不仅可以提高土壤肥力、作物产量和盈利能力，还可以减少对环境的影响，从食品安全到营养安全改善人类健康。夏洛特女士已成功在土耳其推广锌肥，在新西兰推广硒肥。德国钾盐集团(K+S Group)农艺研究员安第·格兰西(Andreas Gransee)认为，镁、硫以及微量营养元素的平衡施肥在全球范围内具有重要性，可大大提高农作物的产量与质量。
在世界十大科普读物《趣味地球化学》中钙被描述为“巩固”的象征，钙在元素周期表中的原子序数为20，相对原子质量为40，这2个数字都能被4除尽，所以特别稳定[9]。镁的原子序数为12，相对原子质量接近24。钙、镁是地球上2种非常重要的金属。人体中的钙99%都集中在骨骼与牙齿中，构成人的骨架与利齿；1%留在血液与肌肉中[10]。
在《钙长生宝典》中，给出了存在于血液与肌肉中的微量钙有惊人的功效作用。血液中如果缺钙将无法凝固，会流血不止；如果人经常感到焦躁，动不动就发脾气，表示钙质缺乏；特别是女性，补充钙质可以减轻焦躁。成年人缺钙容易失眠，老人缺钙易骨折，小孩缺钙骨骼会长长但不会增粗。钙质的摄取，能维持中等身材，但体格壮硕[10]。说明钙几乎参与人体所有的生理活动。
人类100 mL血液中含有约10 mg的钙，若血液中的钙含量减少1%，人就会出现上述不良症状。进入血液中的钙称为“功能钙”，具有安定神经的作用，能减轻人的焦躁。虽然含钙丰富的食品大多为动物质的，但生菜、小白菜、萝卜、芹菜、茼蒿等蔬菜也含有较多的钙。
镁是人体健康的催化剂，镁缺乏会加速人体衰老。脾气不好，可能是缺乏钙、镁、B族维生素等。钙与镁以2 ∶1的比例摄取，被人吸收的效率更高。睡眠质量不高要补钙、镁、锌。当考生遇到走神、疲惫、失眠等状况时，家长们通常会认为是孩子学习太累或压力太大，很少人知道可能是因缺钙引起的。
为了人类的健康，可开发富含中微量元素的植物营养品，使蔬菜、水果中的中微量元素富化；通过富化饲料作物(玉米、大豆等)中的中微量元素，增加肉、禽、蛋、奶、鱼的营养。中微量元素还应该包括人类所必需的碘、硒等，形成以人类为核心的中微量元素观。
3
微量元素的作用
微量元素虽在人体中占极少量，但起到了很大的作用，这是因为人体内的生化反应均需要酶来催化。酶是有机催化剂，在常温下能发生催化反应，而且专一性很强。有机催化剂比合成氨的无机催化剂效果好，无机催化剂的活性中心是金属原子，载体是无机矿物质；而酶的活性中心虽也是金属原子(中微量元素)，但载体是蛋白质。由于蛋白质结构复杂，不同蛋白质载体的催化专一性强，效率也较高。中、微量元素虽然数量很少，但可以发挥酶的活性中心作用，能起到“四两拨千斤”的效果。1957年，笔者在天津大学工作时就曾提出用有机催化剂酶代替合成氨的无机催化剂。
日本学者给出的微量矿物质缺乏与生活习惯相关联的疾病[11]见表 1。
表 1
|
疾病 |
缺乏微量矿物质种类 |
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癌症 |
硒、锌 |
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动脉硬化 |
铬、铜、镁 |
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心脏梗塞 |
硒、镁 |
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糖尿病 |
铬、镁 |
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认知病 |
硒、铬、锌 |
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高血压 |
硒、铜、锌、镁 |
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免疫不全 |
锌、铜、硒、铁 |
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味觉低下 |
锌 |
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行为异常 |
锌、铜、锂(锂对狂躁有效，是情绪稳定剂) |
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龋齿 |
氟 |
因为缺硒、缺锌会引发多种疾病，所以市面上出现了许多富硒、富锌产品，如富硒大米、富锌大米。日本成年男女硒的推荐摄入量为30 μg/d，若每天吃200 g粳米(含4 μg硒)、100 g菠菜(含3 μg硒)、25 g猪里脊(含5 μg硒)、1个鸡蛋(含28 μg硒)，便摄入了40 μg硒，不必再额外补充。日本成年男女锌的推荐摄入量为10 mg/d，若每天吃200 g粳米(含3.6 mg锌)、100 g大豆(含3.2 mg锌)、100 g菠菜(含0.7 mg锌)、25 g猪里脊(含0.4 mg锌)、1个鸡蛋(含4.2 mg锌)，便摄入了12.1 mg锌，也不必再额外补充锌。
因此，饮食全面是最重要的。可通过提高肥料中关键营养元素锌、硫、碘、硒的含量来克服土壤、动物、人类对上述元素的缺乏。
4
结语
目前，人类正面临营养过剩引发的健康危机，倡导作物临界施肥理念，以科学发展的思路应对转变才是保障我国粮食生产安全的解决之道。植物营养元素供应影响人类健康，作物养分均衡供给对人类健康应发挥功能性作用。因此，根据作物养分需求规律，合理施肥，平衡供应作物所需的大、中、微量元素，对植物健康和人类健康具有重要意义。
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